CN103011888B

CN103011888B - 一种利用固体废弃物制备泡沫陶瓷及其方法

Info

Publication number: CN103011888B
Application number: CN201210561368.6A
Authority: CN
Inventors: 吉晓莉; 翟成成
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan Zhongli Environmental Protection Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-10-01
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103011888A

Abstract

本发明涉及一种利用固体废弃物制备泡沫陶瓷及其方法。该泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石20～50%，磷尾矿20～40%，长石18~32%，黄砂10～20%，发泡剂1～2%，均为质量百分比。该泡沫陶瓷的制备方法包括生料的制备、坯体的成型和烧结步骤。本发明对于煤矸石、磷尾矿等固体废弃物的高效利用，减少对环境的污染，从而改善自然环境、利用廉价原料和降低生产成本具有重要的意义；同时生产的泡沫陶瓷具有较高的强度、密度低、烧结温度和热导率较低的优势。

Description

一种利用固体废弃物制备泡沫陶瓷及其方法

技术领域

本发明涉及建筑陶瓷材料领域，具体涉及一种利用固体废弃物制备的泡沫陶瓷及其方法。

背景技术

煤矸石是在采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石；煤矸石是碳质、泥质和砂质页岩的混合物，具有低发热值，含碳20%～30%，有些含腐殖酸。中国积存的煤矸石达10亿吨以上，每年还将排出煤矸石1亿吨。煤矸石的大量堆放，不仅压占土地，影响生态环境，在雨季崩塌，淤塞河流造成灾害；矸石淋溶水将污染周围土壤和地下水，而且煤矸石中含有一定的可燃物，在适宜的条件下发生自燃，排放出的二氧化硫、氮氧化物、碳氧化物和烟尘等有害气体污染大气环境，影响矿区居民的身体健康。

我国磷矿资源相当丰富，储量仅次于摩洛哥，居世界第2位，八大磷矿主要分布在湖北、湖南、四川、江苏、贵州、云南等省份，但80%是中低品位磷矿石。磷尾矿是磷矿浮选精矿时排出的未能加以充分利用的固体废料。近年来，随着磷化工业的快速发展，且我国磷矿石原矿的品位不高，造成磷化工业每年产生大量的磷尾矿。磷尾矿一般呈细砂状形态自然堆积在尾矿库中，不仅耗费资金、占用大量土地，而且还带来许多环境问题和安全问题。目前，磷尾矿的利用率还很低，其综合利用途径主要有新药剂再浮选、重结晶再浮选、制备水泥、制备建筑用砖、制备微晶玻璃、制备磷镁肥等。

在公开号CN102674788A专利中，其处理煤矸石的方法是：“由煤矸石陶砂和粘结剂粘结制备而成的；所述煤矸石陶砂与所述粘结剂的质量比为2-3:1；所述煤矸石陶砂由下述重量份的组分制备而成：煤矸石30-70份；玻璃粉20-70份；发泡剂2-10份；水玻璃10-25份。”该方法虽然烧结温度偏低，但是工艺较复杂，经过了二次烧结，能耗较大；制备出煤矸石陶砂后，再用大量的粘接剂粘接煤矸石陶砂而形成板材，原料的成本高；其板材的抗压强度不高。

在公开号CN1837129专利中，其处理磷尾矿的方法是：“在磷尾矿中加入硅石粉、焦碳粉(或煤矸石粉)、高岭土粉按一定比例混匀，加水，陈腐，用真空挤出机或压砖机生产线成型，烘干后浸釉，装窑车入隧道窑。经预热、升温后得到磷蒸气和一氧化碳，再经过水化塔吸收得到浓磷酸，砖块经过换热冷却后作为承重砖产品。”该发明对设备要求高、工序复杂，反应的温度(1280℃~1450℃)也高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种热导率低、密度低和抗压强度较高的泡沫陶瓷，并提供该泡沫陶瓷易于制备的方法。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的利用固体废弃物制备泡沫陶瓷，其主要组成为：煤矸石20～50%，磷尾矿20～40%，长石18~32%，黄砂10～20%，发泡剂1～2%，均为质量百分比。

上述泡沫陶瓷可由以下原料组成：煤矸石35%，磷尾矿27%，长石23.5%，黄砂13%，发泡剂1.5%，均为质量百分比。

所述的发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，颗粒粒径≤0.045mm，质量百分比可以为：碳化硅30～50%、碳酸钙30～40%、氧化铁20～40%。

本发明提供的泡沫陶瓷制备方法，其包括以下步骤：

（1）生料的制备：

先将原料按以下质量百分比例混合：煤矸石20～50%，磷尾矿20～40%，长石18~32%，黄砂10～20%，发泡剂1～2%，混合后再加入于原料总质量50%的水，放入轻型球磨机中球磨12～18h，得到混合均匀的浆料；然后将浆料置于鼓风干燥箱中于110℃下烘干、制得粉体，再加入于粉体质量4~7%的水炼泥，得到混合均匀的生料；

（2）成型：

将生料置于模具中，在粉末压片机上进行压制成型，再置于鼓风干燥箱中于80℃下干燥12～24h得坯体；

（3）烧结：

将坯体放入烧结炉中，然后将炉体从室温升到1080℃~1160℃，烧结保温1~2小时，随炉冷却后得到泡沫陶瓷。

上述步骤（1）中，所述的原料可以由以下质量百分比的原料替换：煤矸石35%，磷尾矿27%，长石23.5%，黄砂13%，发泡剂1.5%，均为质量百分比

上述步骤（1）中，所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，颗粒粒径≤0.045mm，质量百分比可以为：碳化硅30～50%、碳酸钙30～40%、氧化铁30～40%。

上述步骤（2）中，所述压制成型的工艺条件可以为：采用单面加压，加压大小为1～4MPa。

上述步骤（2）中，成型加压大小可以为2～3MPa，升温速率为2~4℃/min，烧结温度为1120℃~1140℃，保温时间为1~1.5小时。

上述步骤（2）中，成型加压大小可以为2MPa，升温速率为3℃/min，烧结温度为1130℃，保温时间为1.5小时。

上述步骤（3）中，可以将烧结炉的温度按照2~6℃/min的升温速率匀速从室温升到1080℃~1160℃。

本发明的原理：煤矸石在烧成时具有较大的烧失量，长石提供陶瓷必要的组分、作为助溶剂来降低坯体的烧结温度，磷尾矿能提供陶瓷必要的组分并对烧成时玻璃相的形成有促进作用，黄砂提供SiO₂增加烧成后坯体的强度。坯体在1080℃~1160℃时熔融并且具有一定的粘度；此时，发泡剂发生氧化还原反应并产生气体，由于高温熔融体内部表面张力的作用，气体被保留在熔体内，随炉冷却后即得泡沫陶瓷。

本发明与现有技术相比具有的优点主要是：

其一. 煤矸石与磷尾矿的利用量达90%，节约资源，有利于环保；

其二. 所得产品的可控性能好，能根据不同需求控制产品的孔径大小、密度，易再加工；

其三. 该材料生产具有烧成温度低(1080℃~1160℃)、周期短、成本低(原料廉价，能耗低的短周期生产)、热导率低、密度小、强度高等优点；当样品密度为0.283g/cm³时，抗压强度达到5.47MPa，热导率可达0.081W/(m·K)。

附图说明

图1、图2和图3分别是本发明制备的泡沫陶瓷的试样图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细的说明，但不限定本发明。

实施例1：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石35%，磷尾矿27%，长石23.5%，黄砂13%，发泡剂1.5%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅30%、碳酸钙40%、氧化铁30%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合18小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量6%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为2MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥18h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以3℃/min匀速升温到1130℃，保温烧结1.5h后退火，得到泡沫陶瓷。

采用阿基米德排水法测密度、回弹法测试抗压强度、平板法测试热导率，所得泡沫陶瓷的密度为0.283g/cm³，抗压强度为5.47MPa，热导率为0.081W/(m·K)。

实施例2：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石20%，磷尾矿30%，长石32%，黄砂17%，发泡剂1%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅30%、碳酸钙30%、氧化铁40%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合15小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量5.5%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为1MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥14h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以2℃/min匀速升温到1080℃，保温烧结1h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的密度为0.327g/cm³，抗压强度为6.52MPa，热导率为0.115W/(m·K)。

实施例3：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石29%，磷尾矿20%，长石30%，黄砂20%，发泡剂1%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅40%、碳酸钙35%、氧化铁25%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合17小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量7%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为3MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥15h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以2℃/min匀速升温到1120℃，保温烧结2h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的密度为0.320g/cm³，抗压强度为6.48MPa，热导率为0.109W/(m·K)。

实施例4：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石50%，磷尾矿20%，长石18%，黄砂10%，发泡剂2%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅40%、碳酸钙40%、氧化铁20%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合16小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量4%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为2MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥12h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以2℃/min匀速升温到1160℃，保温烧结1h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的密度为0.272g/cm³，抗压强度为4.13MPa，热导率为0.085W/(m·K)。

实施例5：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石23%，磷尾矿40%，长石25%，黄砂10.5%，发泡剂1.5%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅50%、碳酸钙30%、氧化铁20%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量40%的水，在轻型球磨机中球磨混合16小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量4.5%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为3MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥12h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以4℃/min匀速升温到1090℃，保温烧结1.5h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的密度为0.304g/cm³，抗压强度为6.19MPa，热导率为0.098W/(m·K)。

实施例6：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石41%，磷尾矿22%，长石20%，黄砂15%，发泡剂2%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅42%、碳酸钙34%、氧化铁24%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合17小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量7%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为1.5MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥21h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以4℃/min匀速升温到1140℃，保温烧结1h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的料密度为0.294g/cm³，抗压强度为5.83MPa，热导率为0.092W/(m·K)。

实施例7：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石37%，磷尾矿33%，长石19%，黄砂10%，发泡剂1%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅47%、碳酸钙30%、氧化铁23%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合13小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量5%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为3MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥24h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以3℃/min匀速升温到1100℃，保温烧结1.5h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的密度为0.309g/cm³，抗压强度为6.41MPa，热导率为0.104W/(m·K)。

实施例8：

1)泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石45%，磷尾矿21%，长石20%，黄砂12%，发泡剂2%，均为质量百分比；所述发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，质量百分比为：碳化硅32%、碳酸钙37%、氧化铁31%；

2) 原料混合后，再加入于原料总质量50%的水，在轻型球磨机中球磨混合16小时，得到混合均匀的浆料，将浆料置于鼓风干燥箱110℃烘干、制得粉体，再加入于粉体质量6%的水炼泥，得到混合均匀的生料；生料在粉末压片机中压制成型，成型压力为1MPa，再置于鼓风干燥箱中在80℃下干燥15h，得到坯体；将坯体置于烧结炉中，从室温以2℃/min匀速升温到1140℃，保温烧结1.5h后退火，得到泡沫陶瓷。

测试方法同实施例1，所得泡沫陶瓷的密度为0.275g/cm³，抗压强度为4.36MPa，热导率为0.089W/(m·K)。

上述实施例中使用的煤矸石的主要组成为：Al₂O₃26.02%～42.48%、SiO₂34.73%～57.18%、Fe₂O₃0.28%～10.63%、CaO0.12%～2.16%、MgO0.44%～2.41%、TiO₂0.90%～3.21%、SO₃0.08%～0.36%、 K₂O+Na₂O 0.25%～3.9%，烧失量17.69%～28.80%，均为质量百分比。

上述实施例中使用的磷尾矿的主要组成为：Al₂O₃1.51%～5.27%、SiO₂13.26%～34.21%、CaO21.23%～37.45%、Na₂O0.65%～2.94%、P₂O₅6.86%～19.60%、Fe₂O₃1.26%～4.29%和MgO4.25%～15.41%，均为质量百分比。

上述实施例中使用的长石的主要组成为：Al₂O₃16.27%～21.84%、SiO₂65.19%～73.39%、CaO0.028%～0.37%、Na₂O9.38%～11.72%、K₂O0.05%～0.45%、Fe₂O₃0.027%～0.810%和TiO₂0.09%～0.47%，均为质量百分比。

上述实施例中使用的黄沙的主要组成为：Al₂O₃4.82%～6.15%、SiO₂84.36%～91.06%、CaO0.33%～1.64%、Na₂O0.43%～0.69%、K₂O3.15%～4.72%和Fe₂O₃0.28%～0.61%，均为质量百分比。

上述实施例中经烧结后所得泡沫陶瓷的试样结构如图1至图3所示。由图1可知，该样品为大孔孔径，分布较均匀；由图2可知，该样品孔径偏大；由图3可知，该样品为小孔孔径，分布较均匀。

Claims

1. 一种泡沫陶瓷，其特征是该泡沫陶瓷的主要组成为：煤矸石20～50%，磷尾矿20～40%，长石18~32%，黄砂10～20%，发泡剂1～2%；所述的发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，其中碳化硅30～50%、碳酸钙30～40%、氧化铁20～40%；使用的磷尾矿的主要组成为Al₂O₃1.51%～5.27%、SiO₂13.26%～34.21%、CaO21.23%～37.45%、Na₂O0.65%～2.94%、P₂O₅6.86%～19.60%、Fe₂O₃1.26%～4.29%和MgO4.25%～15.41%；均为质量百分比。

2. 根据权利要求1所述的泡沫陶瓷，其特征在于该泡沫陶瓷由以下原料组成：煤矸石35%，磷尾矿27%，长石23.5%，黄砂13%，发泡剂1.5%，均为质量百分比。

3. 根据权利要求1或2所述的泡沫陶瓷，其特征在于所述的发泡剂的颗粒粒径≤0.045mm。

4. 一种泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于制备方法包括以下步骤：

1）生料的制备：

先将原料按以下质量百分比例混合：煤矸石20～50%，磷尾矿20～40%，长石18~32%，黄砂12～20%，发泡剂1～2%；混合后再加入于原料总质量50%的水，放入轻型球磨机中球磨12～18h，得到混合均匀的浆料；然后将浆料置于鼓风干燥箱中于110℃下烘干、制得粉体，再加入于粉体质量4~7%的水炼泥，得到混合均匀的生料；使用的磷尾矿的主要组成为Al₂O₃1.51%～5.27%、SiO₂13.26%～34.21%、CaO21.23%～37.45%、Na₂O0.65%～2.94%、P₂O₅6.86%～19.60%、Fe₂O₃1.26%～4.29%和MgO4.25%～15.41%；

2）成型：

将生料置于模具中，在粉末压片机上进行压制成型，再于80℃下干燥12～24h得坯体；

3）烧结：

5. 根据权利要求4所述的泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于该泡沫陶瓷由以下质量百分比的原料组成：煤矸石35%，磷尾矿27%，长石23.5%，黄砂13%，发泡剂1.5%。

6. 根据权利要求4所述的泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于发泡剂为碳化硅、碳酸钙和氧化铁的混合物，颗粒粒径≤0.045mm，质量百分比为：碳化硅30～50%、碳酸钙30～40%、氧化铁30～40%。

7. 根据权利要求4所述的泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于烧结时将烧结炉的温度按照2~6℃/min的升温速率匀速从室温升到1080℃~1160℃。

8. 根据权利要求4所述的泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于所述压制成型的工艺条件为：采用单面加压，加压大小为1～3MPa。

9. 根据权利要求4所述的泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于成型加压大小为2～3MPa，升温速率为2~4℃/min，烧结温度为1120℃~1140℃，烧结保温时间为1~1.5小时。

10. 根据权利要求9所述的泡沫陶瓷的制备方法，其特征在于成型加压大小为2MPa，升温速率为3℃/min，烧结温度为1130℃，保温时间为1.5小时。